碳纳米管增强水泥基注浆材料力学特性及其微观作用机理

摘要

水泥基注浆材料固结体的强度特征是影响岩体注浆加固效果的关键因素，进一步提高水泥基注浆材料的力学特性对维护裂隙岩体稳定性而言有重要意义。本文结合国家重点基础研究发展计划（973）项目（2013CB036003）和国家自然科学基金重点项目（51734009），研究了碳纳米管对水泥基注浆材料力学特性的影响，结合多种纳米表征技术和分子动力学模拟方法，从微观角度揭示了碳纳米管增强水泥基注浆材料力学特性的机理，并对提高碳纳米管在水泥环境下的分散稳定性进行初步探索。主要成果及结论如下： （1）通过常规力学试验研究了碳纳米管对水灰比为0.6的水泥基注浆材料固结体28天龄期力学性质的影响，结合压汞法和扫描电镜试验等细观表征手段对固结体的孔隙率和微观结构特征进行分析。结果表明，碳纳米管能提高普通水泥基注浆材料固结体的抗压、抗拉和抗剪强度；碳纳米管可通过纳米充填作用降低固结体的孔隙率和毛细管孔含量，分布在裂隙内的碳纳米管还可发挥桥接作用，从而提高注浆材料的力学特性。当用制备的浆体对含节理面的岩石胶结加固后，加固体破坏时胶结面的平均能量释放率随碳纳米管含量的增大而增大，表明碳纳米管增强水泥基注浆材料在岩石注浆加固领域有较好的应用前景。 （2）基于原子力显微镜技术，采用Peak Force QNM方法对碳纳米管增强水泥基注浆材料的纳米力学特性进行大量测试，着重分析了碳纳米管对浆液固结体微观杨氏模量和表面粘附力的影响。测试结果表明，加入0.018～0.036wt%的碳纳米管使基体内低密度和高密度水化产物的平均杨氏模量分别增加了21～36%和5～13%，使材料表面微观粘附力平均提高10～13%左右。微观力学特性测试结果进一步揭示了碳纳米管对水泥基注浆材料的力学特性增强机理。 （3）在浆液固结体微观结构特征和纳米力学性质的基础上，建立模拟含碳纳米管水泥基注浆材料微单元的分子动力学模型，在原子尺度上研究了模型单元在剪切作用下的力学行为，进一步从纳米尺度阐述了碳纳米管的增强机理。模拟结果显示，碳纳米管可通过增大材料单元破坏过程中的纳米摩擦作用来提高断裂能；分布在低杨氏模量单元内的碳纳米管的增强效应更明显；碳纳米管对材料纳米摩擦作用的增强效应随其倾角的增大而变弱，当倾角增加至一定值时，碳纳米管能起到引导裂隙扩展的作用，反而降低材料单元的强度。 （4）对于碳纳米管在水泥环境下易发生重新团聚的现象，通过在碳纳米管水性分散液内引入适量甲基纤维素，不仅可以抑制水泥孔隙溶液内金属阳离子对碳纳米管的吸附作用，还可以提高分散液粘滞系数，降低纳米颗粒因布朗运动碰撞而团聚的几率，有利于维持碳纳米管在水泥环境下稳定分散，从而提高碳纳米管对水泥基注浆材料力学特性的增强作用。当甲基纤维素含量过高时，不仅不利于碳纳米管的分散，还会在浆液固结体内引入大量气泡，使固结体内孔洞更发育，于最终强度有不利影响。

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